控制系统故障诊断概述.答案

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控制科学与工程
Control Science and Engineering
一、概述
故障的种类：
• • • 从系统的结构分：传感器故障、执行器故障、控制器故障、被 控对象故障； 从故障性质或程度分：缓变故障、突变故障、间歇故障、完全 失效故障； 从故障间的相互关系分：单故障、多故障，独立故障、关联故 障，整体故障、局部故障等。 故障的特征描述与提取——通过测量和一定的信息处理技术获 取反应系统故障的特征描述的过程和方法； 故障的分离与估计——根据检测的故障特征确定系统是否出现 故障（Detection）以及故障的部位（Isolation）和故障的程度的 过程和技术； 故障的评价与决策——根据故障分离与估计的结论，对故障的 危害及严重程度做出评价，进而做出是否停止任务进程及是否 需要维修更换的决策。
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一、概述
国际自动控制界对故障诊断和容错控制的发展给予 了高度重视。1986年9月，在美国Santa Clara大学举行的 自动控制高峰会议上，把多变量鲁棒、自适应和容错控制 列为控制科学面临的富有挑战性的研究课题。在国际上， 领导着故障诊断和容错控制学科发展的是1993年成立的 IFAC技术过程的故障诊断与安全性技术委员会。从1991 年起，IFAC每3年定期召开FDD与FTC方面的国际专题学 术会议。在近几届的IFAC世界大会上，FDD与FTC方面 的论文在不断增加。 作为一门交叉性学科，故障诊断、容错控制与鲁棒控 制、自适应控制、智能控制等有着密切的联系。现代控制 理论、信号处理、模式识别、最优化方法、决策论、统计 数学等构成了故障诊断和容错控制的理论基础。
控制科学与工程
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一、概述
几个概念：
• 容错——容错（Fault-Tolerant）技术，是指当系统的某些部件失效时， 这些部件在系统中的功能用其它部件完全代替或部分代替，使系统能 保持规定的性能或不丧失最基本的性能（如保持稳定等）。系统的容 错能力与系统的冗余（包括硬件冗余和解析冗余）是密切相关的。容 错控制按其所采用的方式不同分为： (1) 硬件冗余：并行双重、三重冗余备份——并行冗余多采用热储备的 多重方式，然后通过表决器进行冗余管理或采用中值（或均值）滤波 公式减弱故障的影响。 (2) 解析冗余：鲁棒容错控制、重构容错控制、人工智能等。——利用 控制系统不同部件之间的内在联系和功能上的冗余性，当系统的某些 部件失效时，用其余完好部件部分甚至全部地承担其故障部件所丧失 的作用，以维持系统性能在允许范围之内。 故障诊断 —— 控制系统故障（ Failure ）可理解为导致系统出现不期望 行为的任何异常现象，或系统中部分元器件功能失效而导致整个系统 性能恶化的情况或事件。当系统发生故障时，系统中的各种量（可测 的或不可测的）或它们中的一部分表现出与正常状态不同的特性，这 种差异包含丰富的故障信息，如何找到这种故障的特征描述，并利用 它 来 进 行 故 障 检 测 （ detection ） 、 分 离 （ Isolation ） 就 是 故 障 诊 断 （Failure Diagnosis）的任务。
控制系统故障诊断技术
控制科学与工程
Control Science and Engineering
2012.3.25
一、概述
1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机从肯尼迪航天中心发射场起飞后 约一分钟在空中爆炸，7位机组人员全部遇难。
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一、概述
主要参考文献 1. 周东华、孙优贤，控制系统故障检测与诊断技术，清华大学出版社， 1994 2. 胡昌华、许化龙，控制系统故障诊断与容错控制的分析和设计，国防 工业出版社，2000 3. 周东华、叶银忠，现代故障诊断与容错控制，清华大学出版社，2000 4. 闻新、张洪钺，控制系统的故障诊断和容错控制，机械工业出版社， 1998 5. Frank.P.M., Fault Diagnosis in Dynamic Systems Using Analytical and Knowledge-based Redundancy —— A Survey and Some New Results. Automatica, 1990, 26(3):459-474 6. Isermann R., Trends in the Application of Model Based Fault Detection and Diagnosis of Technical Process, Control Engineering Practice, 1997, 5(5):709-719 7. 疏松桂，控制系统可靠性分析与综合，科学出版社，1992 8. 葛建华、孙优贤，容错控制系统的分析与综合，浙江大学出版社， 1994
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一、概述
提高控制系统可靠性的主要途径——
从提高控制系统可靠性角度看，提高可靠性的途径归 纳起来主要有三个方面： 1．提高组成控制系统的各元部件的可靠性——这 是本质措施，但往往收到当前科技水平的限制； 2．进行系统的高可靠性设计，如简化系统结构、 引入冗余和容错技术等——这是提高控制系统可靠 性的最有效途径； 3．采取维修维护措施——这是延长使用寿命的最 后办法，但对有些系统不很适用，如卫星、导弹等。
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一、概述
典型故障诊断方法——
• 基于未知输入观测器（Unknown Input Observer – UIO） 的故障诊断技术； • 基于奉献观测器（Dedicated Observer Scheme – DOS） 及自适应观测器的故障诊断技术； • 基于参数估计（Parameter Identification Approach – PIA）的故障诊断技术； • 基于直接可测信号、神经网络、模糊逻辑、专家系统 的故障诊断技术； • 机内测试（Built in Test – BIT）与故障预测和状态管 理（Prognostics and Health Management -PHM）技术。
一、概述
1986年4月26日，世界上最严重的核事故在苏联切尔诺贝利核电站发生。乌克 兰基辅市以北130公里的切尔诺贝利核电站的灾难性大火造成的放射性物质泄 漏，污染了欧洲的大部分地区。 2011.3.11日本9.1级地震/海啸/福岛核事故
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一、概述
控制系统故障诊断分析设计实例：
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基于未知输入观测器（Unknown Input Observer – UIO） 的故障诊断技术及应用实例； 基于奉献观测器（Dedicated Observer Scheme – DOS） 及自适应观测器的故障诊断技术及应用实例； 基于参数估计（Parameter Identification Approach – PIA） 的故障诊断技术及应用实例； 基于直接可测信号、神经网络、模糊逻辑、专家系统的 故障诊断技术及应用实例； 控制系统容错技术及应用实例； 机内测试（Built in Test – BIT）与故障预测和状态管理 （Prognostics and Health Management -PHM）技术最新进 展。
一、概述
“哥伦比亚”号原定于美国东部时间2003年2月1日上午9时16分返回肯尼迪航 天中心。但在美国东部时间9时左右，当时“哥伦比亚”号航天飞机的飞行高 度约63000米，飞行速度约20000千米/小时，之后航天飞机在得克萨斯州上空 解体。
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一、概述
现代系统正朝着大规模、复杂化的方向发展，这类系统一旦发 生事故就有可能造成人员和财产的巨大损失。人们迫切需要提高现代 系统的可靠性与安全性。系统的故障诊断(Failure Diagnosis)与容错 控制(Fault Tolerant Control)则为提高复杂系统的可靠性开辟了一条 新的途径。 如果当执行器、传感器或元部件发生故障时，闭环控制系统仍然 是稳定的，并具有较理想的特性，就称此闭环控制系统为容错控制系 统。1991年，瑞典的Astrom教授明确指出容错控制具有使系统的反 馈对故障不敏感的作用。容错控制方法一般可以分成两大类，即被动 容错控制(passive FTC)和主动容错控制(active FTC)。 动态系统的故障检测与诊断(Fault Detection and Diagnosis, FDD)是容错控制的重要支撑技术之一。FDD技术的发展已大大超前 于容错控制，其理论与应用成果也远远多于容错控制。目前国际上每 年发表的有关FDD方面的论文与报告在数千篇以上。基于解析冗余的 故障诊断技术被公认为起源于Beard于1971年发表的博士论文。1976 年，Willsky在《Automatica》上发表了第一篇FDD方面的综述文章。 Himmelblau于1978年出版了国际上第一本FDD方面的学术著作。
一、概述
控制系统故障诊断方法—— 1．依赖于模型的方法： ①基于状态估计的方法； ②基于参数估计的方法； ③基于特殊模型的诊断法。 2．不依赖于数学模型的方法： ①基于直接可测信号的故障诊断方法（可测值或其变 化趋势检查法、可测信号分析处理诊断法）； ②基于经验知识的故障诊断方法（专家系统、故障树、 模式识别等）。
故障诊断的研究内容：
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一、概述
控制系统故障的特征描述及获取方法—— 表征系统故障的特征量可以是： ①可测的系统输入输出信息； ②不可测（可估计）的状态变量； ③不可测（可估计）的模型参数向量； ④不可测（可估计）的特征向量； ⑤人的经验知识。 获取这些特征量的方法主要有： ①直接测量和观察； ②参数估计、状态估计或滤波与重构； ③对测量值进行某种信息处理。
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一、概述
故障探测与分离方法—— ①阈值逻辑法； ②多重模型假设检测法； ③贝叶斯决策函数法； ④特征量统计检验法； ⑤人工神经网络法 ⑥专家系统法； ⑦模式识别法； ⑧模糊数学法； ⑨逻辑代数法。
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